JP7449050B2 - 監視装置および監視方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、監視装置および監視方法に関する。

従来、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）等にたとえば補機用バッテリとして搭載されるリチウムイオン二次電池（ＬｉＢ：Lithium-Ion rechargeable Battery）の状態を監視する監視装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

このような監視装置では、ＬｉＢ内のセル電圧や電流値の測定、セル間のエネルギー容量の均等化（いわゆるセルバランシング）等が行われる。

特開２０１６－０２５７９４号公報

しかしながら、上述した従来技術には、熱起電力による電圧誤差の影響を低減するうえで、さらなる改善の余地がある。

具体的には、監視装置では、ＬｉＢの状態取得のための各種センサのコネクタ等がはんだ接合されて基板に実装されるが、異種金属接合であるため、はんだ接合された部分（以下、「はんだ部」という）には、熱起電力による微小な電位差が存在して温度により変化する。

そして、セルバランシング時には、セルバランスＩＣ（Integrated Circuit）の放電抵抗が発熱し、熱伝導で基板各部の温度にバラツキを生じさせる。ここで、かかるバラツキにより、たとえばコネクタのランド間に温度差があると、熱起電力の差で入力電圧に微小な誤差を生じさせる。

なお、ＬｉＢの電流値を測定する電流センサがたとえば磁気式である場合、前述の熱起電力による入力電圧の誤差があっても、電圧の誤差に対するセンサの分解能が低いため、電流センサの電流測定値に影響は出にくい。しかしながら、電流センサがたとえばシャント抵抗式である場合、磁気式に比べて電圧の誤差に対するセンサの分解能が高いため、前述の入力電圧の誤差は、電流測定値にオフセット誤差を生じさせてしまう。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、熱起電力による電圧誤差の影響を低減することができる監視装置および監視方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る監視装置は、電流センサと、補正部とを備える。前記電流センサは、二次電池からなるバッテリの電流を測定するシャント抵抗式の電流センサである。前記補正部は、前記バッテリのセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時において、予め生成された電流測定値のオフセット値とセル電圧との相関テーブルに基づき、前記実行区間の直前のセル電圧に応じた前記オフセット値で前記電流測定値を補正する。

実施形態の一態様によれば、熱起電力による電圧誤差の影響を低減することができる。

図１は、ランド間に温度差が生じるメカニズムの説明図である。 図２は、電流センサにおける入力電圧と検出値の相関図である。 図３は、実施形態に係る監視方法の概要説明図（その１）である。 図４は、実施形態に係る監視方法の概要説明図（その２）である。 図５は、実施形態に係る監視システムのブロック図である。 図６は、複数のセルがセルバランシングされる場合の動作説明図である。 図７は、実施形態に係る監視装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する監視装置および監視方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下では、実施形態に係る監視方法を適用した監視装置１０が、車両に搭載されるＬｉＢ２の状態を監視する監視装置である場合を例に挙げて説明する。

まず、実施形態に係る監視方法の説明に先立って、ランド間に温度差が生じるメカニズム、および、電流センサにおける入力電圧と検出値の相関について、図１および図２を用いて説明する。図１は、ランドＬ１，Ｌ２間に温度差が生じるメカニズムの説明図である。また、図２は、電流センサにおける入力電圧と検出値の相関図である。

図１に示すように、監視装置１０が有する基板Ｓがあるものとする。また、基板Ｓには、電流センサへ接続されるコネクタＣが実装されており、かかるコネクタＣのはんだ付け用銅箔であるランドＬ１，Ｌ２があるものとする。また、図示は略しているが、基板ＳにはセルバランスＩＣが実装されているものとする。

ランドＬ１，Ｌ２には、コネクタＣがはんだ接合、すなわち異種金属接合されるため、はんだ部には熱起電力による微小な電位差が存在し、温度により変化することとなる。

ここで、図１に示す発熱部は、たとえばセルバランスＩＣの放電抵抗である。かかる場合、発熱部は、セルバランシング時に発熱することとなるが、かかる発熱部からの距離が異なれば、基板Ｓの各部において熱伝導による温度のバラツキが生じる。図１に示すように、たとえば距離ｄ１＜距離ｄ２であるならば、セルバランシング時においてランドＬ２よりもランドＬ１の方が温度が高くなる。

このようにランドＬ１，Ｌ２に温度差が生じるとなると、図２に示すように、たとえばセルバランシング時とそれ以外の時である通常時とで、コネクタＣを介した電流センサへの入力電圧に微小な誤差ｐｄが生じてしまう。

ここで、電流センサが磁気式であるならば、入力電圧を区切る区間の幅が大きい、すなわち電圧の誤差に対するセンサの分解能が低いため、図２に示すように、電流測定値に熱起電力による電圧誤差の影響は出にくい（図中の検出値Ｉ１参照）。

これに対し、電流センサがシャント抵抗式であるならば、入力電圧を区切る区間の幅が小さい、すなわち電圧の誤差に対するセンサの分解能が高いため、図２に示すように、電流測定値に熱起電力による電圧誤差の影響により、電流測定値にオフセット誤差が生じてしまう（図中の検出値Ｉ２，Ｉ３参照）。

そこで、実施形態に係る監視方法では、ＬｉＢ２のセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時において、異なるセル電圧ごとの実測値に基づいて予め生成された電流測定値のオフセット値およびセル電圧の相関テーブルに基づき、上記実行区間の直前のセル電圧に応じた上記オフセット値で電流測定値を補正することとした。

図３および図４は、実施形態に係る監視方法の概要説明図（その１）および（その２）である。上述したように、発熱部は、たとえばセルバランスＩＣの放電抵抗であるので、発熱量は、放電時間と放電時のセル電圧に比例する。また、熱伝導は、ランドＬ１，Ｌ２をはじめとする基板Ｓにおける各部品の配置関係に依存する。

そこで、実施形態に係る監視方法では、まず監視装置１０の実機を用い、通常動作において使用可能な電圧範囲内の異なるセル電圧それぞれにおける電流測定値のオフセット値を実測し、実測結果に基づいて、図３に示すように、セル電圧およびオフセット値の相関を線形補間した相関テーブルを予め生成する。

かかる相関テーブルは、はんだ部を介して入力されるセル電圧に基づいて実測された上記オフセット値に基づいて生成される。

これにより、熱起電力による電圧誤差が生じる場合に限定した電流測定値の補正が可能となる。

また、かかる相関テーブルは、はんだ部が存在する基板Ｓ上のセルバランスＩＣの電力から推定される発熱量に応じたセル電圧を入力することによって、上記オフセット値およびセル電圧の相関を、はんだ部の温度変化および上記発熱量との相関と見なして生成される。

これにより、熱起電力による電圧誤差に基づく電流測定値の補正を、温度に関するパラメータを用いることなく行うことが可能となる。

そして、実施形態に係る監視方法では、監視装置１０の実運用中において、セルバランシングが実行されて、熱起電力による電圧誤差が影響するタイミングでの電流測定時には、前述の相関テーブルに基づき、セルバランシングが実行される直前のセル電圧に応じたオフセット値で、電流センサによる電流測定値を補正する。

より具体的に、図４に示すように、たとえば時間ｔ３～ｔ４にセルバランシングが実行され、かかる実行区間の直後、すなわち熱起電力による電圧誤差が影響するタイミングである時間ｔ５～ｔ６のＭ２部において電流センサにより電流が測定される場合を考える。

かかる場合、実施形態に係る監視方法では、Ｍ２部、言い換えるなら、セルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時には、セルバランシング直前の時間ｔ１～ｔ２のＭ１部におけるセル電圧に応じた相関テーブルのオフセット値で、電流センサによる電流測定値を補正する（図中の「補正後電流値＝電流測定値－オフセット値＠セル電圧」参照）。

すなわち、実施形態に係る監視方法では、熱起電力による電圧誤差が影響して電流センサによる電流測定値に誤差が含まれると想定されるタイミングでの電流測定値については、前述の電圧誤差が生じていないタイミング、すなわちセルバランシング直前のＭ１部で測定されたセル電圧を使用し、かかるセル電圧に応じたオフセット値で電流センサによる電流測定値を補正する。

これにより、実施形態に係る監視方法によれば、熱起電力による電圧誤差の影響を低減することができる。

なお、熱起電力による電圧誤差の影響は、セルバランシングのセル放電時以外は無視できる程度に小さいので、上述した電流測定値の補正は必要時（たとえば、前述のＭ２部のタイミング）にのみ行われればよく、常時行われる必要はない。

また、実施形態に係る監視方法では、上述した相関テーブルが示すように、電流測定値のオフセット値をセル電圧との相関から推定、言い換えるなら、熱起電力をセル放電の発熱量との相関から推定している。したがって、実施形態に係る監視方法によれば、簡便に電流測定値の補正手段を実装することができ、わざわざ補正用の回路を新たに設ける必要はなく、たとえばソフトウェアにより実装することが可能である。

以下、上述した実施形態に係る監視方法を適用した監視システム１の構成例について、さらに具体的に説明する。

図５は、実施形態に係る監視システム１のブロック図である。なお、図５では、本実施形態の特徴を説明するために必要な構成要素のみを機能ブロックで表しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

換言すれば、図５に図示される各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。例えば、各機能ブロックの分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することが可能である。

図５に示すように、監視システム１は、ＬｉＢ２と、監視装置１０と、上位ＥＣＵ２０とを含む。ＬｉＢ２は、リチウムイオン二次電池であって、車両に搭載され、たとえば補機用バッテリとして用いられる。

上位ＥＣＵ２０は、監視装置１０の上位のＥＣＵであり、車両に搭載された各種センサ等から車両状態を随時取得するとともに、監視装置１０からＬｉＢ２の状態を随時取得して、取得した各状態に応じて車両の電力系を制御する。

監視装置１０は、電圧センサ１１と、電流センサ１２と、セルバランスＩＣ１３と、記憶部１４と、制御部１５とを備える。

電圧センサ１１は、ＬｉＢ２と制御部１５との間に接続され、ＬｉＢ２から入力されるセル電圧を測定して制御部１５へ出力する。電流センサ１２は、ＬｉＢ２と直列に接続され、ＬｉＢ２に流れる電流値に応じた電圧を制御部１５へ出力する。

セルバランスＩＣ１３は、制御部１５からの指示に基づいて、ＬｉＢ２内に直列に接続された複数のセルのエネルギー容量を均等化するセルバランシングを実行する。

記憶部１４は、たとえば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ（Flash Memory）等の半導体メモリ素子、または、ハードディスク、光ディスク等の記憶装置によって実現され、図５の例では、相関テーブル１４ａを記憶する。相関テーブル１４ａは、図３を用いて説明した相関テーブルに対応する。

また、図５に示すように、制御部１５は、コントローラ（controller）であり、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等によって、たとえば記憶部１４に記憶されている各種プログラムがＲＡＭを作業領域として実行されることにより実現される。また、制御部１５は、たとえば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現することができる。

制御部１５は、取得部１５ａと、補正部１５ｂと、均等化制御部１５ｃとを有し、以下に説明する情報処理の機能や作用を実現または実行する。

取得部１５ａは、ＬｉＢ２の状態を取得して、上位ＥＣＵ２０へ出力する。たとえば、取得部１５ａは、電圧センサ１１によって測定されたセル電圧、および、電流センサ１２によって測定された電流測定値を取得して、上位ＥＣＵ２０へ出力する。また、取得部１５ａは、ＬｉＢ２のセルバランシングの実行状態を取得し、補正部１５ｂへ通知する。

補正部１５ｂは、通知されたセルバランシングの実行状態に基づき、セルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内であるか否か（すなわち、上述のＭ２部であるか否か）を判定する。

また、補正部１５ｂは、かかる時間範囲内である場合に、かかる時間範囲内において取得部１５ａが取得した電流センサ１２からの電流測定値を、上述のＭ１部において取得部１５ａが取得したセル電圧に対応する相関テーブル１４ａのオフセット値で補正する。

なお、補正部１５ｂは、かかる時間範囲内でない場合は、取得部１５ａが取得した電流センサ１２からの電流測定値を補正しない。

均等化制御部１５ｃは、たとえば制御部１５で実行されるプログラムの指示に基づき、セルバランスＩＣ１３にＬｉＢ２のセルバランシングを実行させる。

次に、複数のセルがセルバランシングされる場合の動作について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、複数のセルがセルバランシングされる場合の動作説明図である。

図６に示すように、セルバランスＩＣ１３は、ＣＨ＃１，＃２，＃３…の各チャンネルを介してＬｉＢ２内の各セル＃１，＃２，＃３…のセルバランシングを実行する。ここで、図中に太枠で示したセル＃１とセル＃３とにおいてセルバランシングが実行されたものとする。

このとき、補正部１５ｂは、図示略の電圧センサ１１、電流センサ１２および取得部１５ａを介し、セル電圧Ｖ_ＣＨ＃１，_ＣＨ＃３および電流測定値Ｉを取得する。

ここで、相関テーブル１４ａは、図６に示すように、各ＣＨ＃１，＃２，＃３…（すなわち、各セル＃１，＃２，＃３…）にそれぞれ対応するＣＨ＃１テーブル、ＣＨ＃２テーブル、ＣＨ＃３テーブル…を有している。各テーブルはそれぞれ、図３を用いて説明した相関テーブルに対応する。

したがって、図６の例の場合、補正部１５ｂは、これらテーブルのうちからＣＨ＃１テーブルおよびＣＨ＃３テーブルを参照し、セル電圧Ｖ_ＣＨ＃１，_ＣＨ＃３に基づいてオフセット値Ｏｆｆ_ＣＨ＃１，_ＣＨ＃３を取得する。

そして、補正部１５ｂは、取得したオフセット値Ｏｆｆ_ＣＨ＃１，_ＣＨ＃３の合算値にて電流測定値Ｉを補正する。このように、補正部１５ｂは、各セル＃１，＃２，＃３…について予め生成された電流測定値Ｉのオフセット値Ｏｆｆおよびセル電圧Ｖの相関を示す各テーブルに基づき、実際にセルバランシングが実行された各セル＃１，＃２，＃３…のオフセット値Ｏｆｆの合算値にて電流測定値Ｉを補正することができる。これにより、実際のセルバランシングの状況に応じた精度のよい補正を行うことができる。

次に、実施形態に係る監視装置１０が実行する処理手順について、図７を用いて説明する。図７は、実施形態に係る監視装置１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。

図７に示すように、取得部１５ａが、電圧センサ１１からセル電圧Ｖを取得する（ステップＳ１０１）。また、取得部１５ａは、電流センサ１２から電流測定値Ｉを取得する（ステップＳ１０２）。

そして、補正部１５ｂが、セルバランシング直後であるか否か、すなわちセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

ここで、セルバランシング直後である場合（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、補正部１５ｂは、セルバランシング直前のセル電圧Ｖに対応する相関テーブル１４ａのオフセット値Ｏｆｆで電流測定値Ｉを補正する（ステップＳ１０４）。そして、ステップＳ１０１からの処理を繰り返す。

また、セルバランシング直後でない場合も（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、ステップＳ１０１からの処理を繰り返すこととなる。

上述してきたように、実施形態に係る監視装置１０は、電流センサ１２と、補正部１５ｂとを備える。電流センサ１２は、ＬｉＢ２（「二次電池からなるバッテリ」の一例に相当）の電流センサである。補正部１５ｂは、ＬｉＢ２のセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時において、予め生成された電流測定値Ｉのオフセット値Ｏｆｆとセル電圧Ｖとの相関テーブル１４ａに基づき、上記実行区間の直前のセル電圧Ｖに応じた上記オフセット値Ｏｆｆで上記電流測定値Ｉを補正する。

したがって、実施形態に係る監視装置１０によれば、熱起電力による電圧誤差の影響を低減することができる。

また、相関テーブル１４ａは、異なるセル電圧Ｖそれぞれについて実測された上記オフセット値Ｏｆｆに基づいて、かかるオフセット値Ｏｆｆとセル電圧Ｖとの相関が線形補間された情報である。

したがって、実施形態に係る監視装置１０によれば、仮にサンプリング数が少なくとも、実機ごとのバラツキに応じながら、計算量は少なく、また、単調性を保持しての電流測定値Ｉの補正が可能となる。

また、相関テーブル１４ａは、はんだ部（「異種金属接合部」の一例に相当）を介して入力される電流センサ１２の出力電圧において実測された上記オフセット値Ｏｆｆに基づいて生成される。

したがって、実施形態に係る監視装置１０によれば、熱起電力による電圧誤差が生じる場合に限定した電流測定値Ｉの補正が可能となる。

また、相関テーブル１４ａは、はんだ部が存在する基板Ｓ上のセルバランスＩＣ１３（「放電回路」の一例に相当）の電力から推定される発熱量に応じたセル電圧Ｖを入力することによって、上記オフセット値Ｏｆｆおよびセル電圧Ｖの相関を、はんだ部の温度変化および上記発熱量との相関と見なして生成される。

したがって、実施形態に係る監視装置１０によれば、熱起電力による電圧誤差に基づく電流測定値Ｉの補正を、温度に関するパラメータを用いることなく行うことが可能となる。

また、相関テーブル１４ａは、ＬｉＢ２のセルごとに設けられており、補正部１５ｂは、セルバランシングが実行されたセルのそれぞれに対応するオフセット値Ｏｆｆを相関テーブル１４ａから取得し、かかるオフセット値Ｏｆｆの合算値によって電流測定値Ｉを補正する。

したがって、実施形態に係る監視装置１０によれば、実際のセルバランシングの状況に応じた精度のよい補正を行うことができる。

なお、上述した実施形態では、たとえば図４に示したように、ＬｉＢ２のセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時を１つのＭ２部で表したが、オフセット値Ｏｆｆによる電流測定値Ｉの補正を、セルバランシング直後の１回に限るものではない。

したがって、セルバランシングによる熱伝導の影響が残り、ランドＬ１，Ｌ２の温度が通常時までは下がっていないと見込まれる間を、ＬｉＢ２のセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内と見なして、かかる間の電流測定のたびに補正を行ってもよい。

また、上述した実施形態では、図５に示したように、監視装置１０がＬｉＢ２と別体に構成される例を挙げたが、この限りではなく、たとえば１つの電池パックとして、監視装置１０とＬｉＢ２とを一体に構成してもよい。

また、監視装置１０は、上位ＥＣＵ２０と一体に構成されて、たとえば車両の電力系を制御する制御装置の機能の一部として構成されてもよい。

また、上述した実施形態では、監視装置１０が、車両に搭載されるＬｉＢ２の状態を監視する監視装置である場合を例に挙げたが、この限りではなく、ＬｉＢ２の搭載先を問うものではない。したがって、車両以外にＬｉＢ２が搭載される場合にも適用することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 監視システム
１０ 監視装置
１１ 電圧センサ
１２ 電流センサ
１３ セルバランスＩＣ
１４ 記憶部
１４ａ 相関テーブル
１５ 制御部
１５ａ 取得部
１５ｂ 補正部
１５ｃ 均等化制御部
２０ 上位ＥＣＵ
Ｃ コネクタ
Ｌ１，Ｌ２ ランド
Ｓ 基板

Claims (5)

1. 二次電池からなるバッテリの電流を測定するシャント抵抗式の電流センサと、
   前記バッテリのセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時において、予め生成された電流測定値のオフセット値とセル電圧との相関テーブルに基づき、前記実行区間の直前のセル電圧に応じた前記オフセット値で前記電流測定値を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする監視装置。
2. 前記相関テーブルは、
   異なるセル電圧それぞれについて実測された前記オフセット値に基づいて、該オフセット値とセル電圧との相関が線形補間された情報である
   ことを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
3. 前記相関テーブルは、
   異種金属接合部を介して入力される前記電流センサの出力電圧において実測された前記オフセット値に基づいて生成される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の監視装置。
4. 前記相関テーブルは、
   前記バッテリのセルごとに設けられており、
   前記補正部は、
   セルバランシングが実行された前記セルのそれぞれに対応する前記オフセット値を前記相関テーブルから取得し、該オフセット値の合算値によって前記電流測定値を補正する
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の監視装置。
5. 二次電池からなるバッテリの電流を測定するシャント抵抗式の電流センサを備える監視装置を用いた監視方法であって、
   前記バッテリのセルバランシングの実行区間を基準とする所定の時間範囲内での電流測定時において、予め生成された電流測定値のオフセット値とセル電圧との相関テーブルに基づき、前記実行区間の直前のセル電圧に応じた前記オフセット値で前記電流測定値を補正する補正工程
   を含むことを特徴とする監視方法。

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